基于过程层析成像技术的EV燃烧器可视化火焰检测实验及数值研究

摘要

能源是人类各项活动的重要物质基础。在过去几十年中，我国经济飞速发展，但由此也带来日益显著的能源及环境问题。目前我国火力发电最主要的原材料是煤炭，然而对其极度依赖，不仅将面临着资源日益枯竭的困境，还导致了较为严重的SOx、NOx、粉尘等大气污染物以及CO2的排放，随之而来的环境问题，如雾霾、酸雨、气候变暖等也日益严峻，严重危害到周边居民的身心健康。因而，研究和发展不依赖于煤炭的发电技术，具有重大的现实意义。其中，以气体燃料为工质的燃气轮机发电技术，不仅能解决钢铁工业的电力生产问题，而且在节能减排和环境改善方面也有所突破。
　　燃气轮机是一种旋转锅炉式热力发动机，它把热能转换为机械能，并使用连续流动的气体作为工质。它最初应用在航空发动机领域，之后在能源、国防、交通等领域获得广发应用，成为这些领域高新科技的核心装备。燃气轮机课题研究的重点是燃烧器的设计和性能分析，而对燃烧器的火焰检测则是分析燃烧器性能、优化燃烧器设计结构的重要手段。本文以过程层析成像(Process tomography，PT)技术为基础，针对本实验室自行设计研发的锥形燃气轮机旋流环保型燃烧器（即Swirl-induced environmental burner，简称EV燃烧器）进行三维内部结构的可视化火焰检测，开展的主要工作有:
　　一、设计和搭建了基于过程层析成像系统的火焰检测平台。过程层析成像技术是一种应用于工业可视化检测领域的非侵入式实时测量方法，可以在不破坏被测工质的状态下，对工业过程量及被测参数的内部行为进行实时监测成像。其中电容层析成像技术(Electric capacitance tomography，ECT)是一种以电容变化量为检测参数的过程层析成像技术，被认为是多相流检测领域最有前景的可视化检测方法之一。将ECT应用于火焰检测领域是对该技术的一项应用创新。尽管目前学术界仍对ECT检测火焰的机理存在争议，但已普遍认可ECT能够检测到火焰的电离现象。本文在前人的工作基础上，设计和制作了多种适用于三维火焰检测的电容传感器，包括平面电极片全开放式传感器及平面与环形电极片集成式传感器，采用三维图像重建及数据融合等数据处理方法，实现了对火焰的燃烧状况及三维内部结构较为准确的实时成像。
　　二、为了实现与ECT重建的火焰图像进行对照分析，本文在电学层析成像技术的基础上，进一步融合平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence，PLIF)技术等光学手段，实现对火焰中OH自由基的浓度分布实时检测。PLIF技术是一种用以探测待测的分子或原子被激光激发后在特定的量子态聚居密度的共振跃迁技术，在特定染料的激发下可用于检测火焰中OH自由基在平面内的浓度分布。根据火焰的电离理论，火焰中OH自由基聚居密度较大的区域通常也是火焰中燃烧化学反应较为剧烈的区域，体现在ECT图像中即为灰度值较高的区域。因此原理上可以将OH-PLIF检测图像与ECT的重建图像进行对照分析，两者的测量结果可以相互印证。
　　三、本文还通过计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)的方法对燃气轮机的EV燃烧器进行三维空间的数值模拟，采用非稳态湍流模型和湍流与化学反应相互作用的涡耗散概念(Eddy dissipation concept，EDC)燃烧模型对层流火焰及湍流火焰进行模拟，计算出实验条件下甲烷火焰的内部结构、组分及流场分布情况，并与ECT及OH-PLIF的测量结果进行对照分析。数值仿真结果不仅可以与实验测量结果进行良好的对照，还可以补充实验数据，分析燃烧反应的其他燃烧过程产物等，为后续燃烧器的研究提供理论分析基础。
　　本文在对锥形燃气轮机旋流环保型(EV)燃烧器的燃烧特性深入了解的基础上，采用基于电学的过程层析成像技术(ECT)实现对火焰内部三维结构的可视化检测，融合了平面激光诱导荧光技术(PLIF)研究火焰组分，并结合数值模拟的方法从多角度对锥形燃烧器的结构及其燃烧状态进行分析，为后续深入研究奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 火焰检测技术相关理论及其发展概况

1．3 过程层析成像技术(PT)及发展概况

1．4 燃气轮机燃烧室数值模拟的概述

1．5 本文主要工作及创新点

第2章 基于ECT的火焰检测技术及原理

2．1 火焰的基本特征

2．1．1 火焰的分类

2．1．2 火焰的燃烧机理

2．2 电容过程层析成像技术(ECT)硬件系统

2．2．1 传感器系统

2．2．2 数据采集系统

2．2．3 成像系统

2．3 基于ECT的图像重建技术

2．3．1 ECT系统的正问题

2．3．2 ECT系统的逆问题

2．4 基于ECT的火焰检测技术及基本原理

2．5 本章小结

第3章 基于ECT系统的锥形燃烧器火焰可视化检测

3．1 引言

3．2 燃烧器系统

3．3 电容层析成像(ECT)系统

3．3．1 环形电极片结构的圆柱状火焰检测传感器

3．3．2 平面扇形电极片结构的全开放式火焰检测传感器

3．3．3 集成型火焰检测传感器

3．4 基于ECT系统的仿真实验

3．4．1 平面扇形电极片结构传感器三维数值仿真实验

3．4．2 环形电极片结构传感器三维数值仿真实验

3．4．3 集成型传感器三维数值仿真实验

3．4．4 仿真实验小结

3．5 基于ECT系统的火焰检测实验

3．5．1 系统标定

3．5．2 二维火焰成像实验

3．5．3 三维火焰成像实验

3．5．4 火焰成像实验小结

3．6 本章小结

第4章 ECT与OH_PLIF融合的火焰检测技术

4．1 引言

4．2 平面激光诱导荧光系统(PLIF)

4．2．1 测量原理

4．2．2 PLIF系统组成部分

4．3 基于OH_PLIF系统的火焰组分检测实验

4．3．1 基于OH_PLIF系统的本生灯火焰羟基浓度检测实验

4．3．2 基于OH_PLIF系统的EV燃烧器火焰羟基浓度检测实验

4．4 多传感器融合的EV燃烧器火焰检测实验

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 模型建立

5．3 仿真结果与实验对照

5．3．1 层流火焰

5．3．2 湍流火焰

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介